1、2020/10/1,1,機(jī)電類自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用多媒體課件 （共13章，第六章）統(tǒng)一書號：ISBN 978-7-111-34300-4課程配套網(wǎng)站www.sensor-或2012年7月版,本章介紹壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)及應(yīng)用、壓電元件、等效電路、電荷放大器、壓電傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，振動(dòng)的基本概念、振動(dòng)傳感器及振動(dòng)頻譜分析等。,第六章 壓電傳感器,6.1 壓電傳感器的工作原理 6.2 壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路 6.3 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用 6.4 振動(dòng)測量及頻譜分析,第六章 壓電傳感器 目錄,第一節(jié) 壓電傳感器的工作原理,壓電式傳感器的特點(diǎn)： 是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)

2、，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)電量電測的目的。 壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。,一、壓電效應(yīng),天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，電荷Q與所施加的力F成正比 ，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng) 。還有一些人造材料也具有壓電效應(yīng)。 若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。,石英晶體,石英晶體的化學(xué)式為SiO2，它的每個(gè)晶

3、胞中有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列（氧離子是成對出現(xiàn)的）。沿光軸看去，可以認(rèn)為是正六邊形排列結(jié)構(gòu)。在無外力作用時(shí)，硅離子所帶正電荷的等效中心與氧離子所帶負(fù)電荷的等效中心是重合的，整個(gè)晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象。,天然石英晶體外形,天然石英晶體外形（續(xù)）,天然石英晶體的結(jié)構(gòu)及剖面,2020/10/1,10,天然石英晶體的三個(gè)軸,在晶體學(xué)中，可用三根相互垂直的軸來表示。其中縱向軸稱為光軸，也稱z軸，有折光效應(yīng)，沒有壓電效應(yīng)。,經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的軸線稱為電軸，也稱x軸；經(jīng)過正六面體的棱面且垂直于光軸的軸線稱為機(jī)械軸，也稱y軸。,天然石英晶體的三個(gè)面,從石英晶體上切割出

4、一塊平行六面體的切片，再進(jìn)一步從該正六面體上切割出正方形薄片，就是工業(yè)中常用的石英晶片。正方形薄片的6個(gè)面分別垂直于光軸（z軸）、電軸（x軸）和機(jī)械軸（y軸）。,石英晶體切片的三個(gè)面（續(xù)）,在x面的兩個(gè)表面施加壓力，在x面的上下表面產(chǎn)生電荷； 在x面的兩個(gè)表面施加壓力，仍然只在x面產(chǎn)生電荷。,l、b分別為石英晶片的長度、厚度和高度。電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)。,石英晶體的特性,石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好,在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化,如下兩圖。 在20200范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當(dāng)

5、到573時(shí)，它突然完全失去了壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。,石英的d11系數(shù)相對于20的d11溫度變化特性,石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性,石英晶體的切片,石英晶體片及封裝,石英晶體薄片,雙面鍍銀并封裝,天然石英晶體的x、y軸向受力產(chǎn)生電荷比較,1.在晶體的彈性限度內(nèi)，在x軸方向上施加壓力Fx時(shí)，在x面上產(chǎn)生的電荷為：Q=d11Fx 式中 的 d11稱為壓電常數(shù)。 2.在y軸方向施加壓力Fy時(shí)，仍然在x面上產(chǎn)生電荷： 式中的 l、為石英 晶片的長度和厚度。,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)施加靜態(tài)力時(shí)，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正

6、比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失。,1正電荷等效中心 2負(fù)電荷等效中心,壓電效應(yīng)的微觀分析未受力時(shí)石英晶體的正負(fù)電荷中心重疊，從宏觀上看，整體不帶電,1正電荷等效中心 2負(fù)電荷等效中心,晶體沿x面受壓力時(shí)的帶電情況分析石英晶體的正負(fù)電荷中心分離，宏觀上看，x面的上表面帶正電，下表面帶負(fù)電,Q=d11Fx,1正電荷等效中心 2負(fù)電荷等效中心,晶片沿x面受拉力時(shí)，或是所受壓力消失后，彈性體反彈時(shí)，也能導(dǎo)致石英晶體的正負(fù)電荷中心分離, x面的上表面帶負(fù)電,下表面帶正電。 受交變力時(shí)，產(chǎn)生交變電信號。,y面受壓力時(shí)的帶電情況等效于沿x軸方向施拉力的情況。但產(chǎn)生的電荷量可能比沿x軸

7、方向施拉力時(shí)的電荷量大幾倍，視晶片的長度與寬度之比 l/的倍數(shù)而不同。,沿 y面受壓力時(shí),石英晶體的正負(fù)電荷中心也產(chǎn)生分離, x面的上表面帶負(fù)電,下表面帶正電,無論是沿x軸方向施加力，還是沿y軸方向施加力，電荷只產(chǎn)生在x面上。光軸（z軸）方向受力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,沿 y面受拉力時(shí),石英晶體的正負(fù)電荷中心也產(chǎn)生分離, x面的上表面帶正電,下表面帶負(fù)電，帶電的方向與x面受壓力時(shí)的情況相同,交變外力作用在壓電元件上，可以產(chǎn)生交變的電荷Q，在上下鍍銀的表面上產(chǎn)生交變電壓。,對壓電元件施加交變力，產(chǎn)生交變電荷,產(chǎn)生的交變電荷的變化頻率與交變力的頻率相同

8、，等效于交變電荷源。,外力作用在壓電元件上，雖然可以產(chǎn)生電荷Q，但在上下鍍銀電極之間總是存在泄漏電阻Ra，電荷的保存時(shí)間通常小于幾秒,而且要求放大器的輸入電阻Ri無限大,因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。,壓電元件的等效電路 交變電荷源兩端并聯(lián)一個(gè)極間電容Ca和漏電電阻Ra 。 極間電容Ca約為1000pF數(shù)量級，與壓電片的面積成正比；漏電電阻Ra應(yīng)大于1M。,如果在壓電材料的兩個(gè)電極面上施加交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。即：壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，稱為“電致伸縮效應(yīng)”，也叫做“逆壓電效應(yīng)”。,逆壓電效應(yīng),實(shí)線代表未施加激勵(lì)電壓的形變前的狀態(tài) 虛線代表在激勵(lì)源的正半周，壓電材

9、料拉長形變后的狀態(tài)。 在激勵(lì)源的負(fù)半周，壓電材料壓縮變形(未畫出)。,逆壓電效應(yīng)示意圖,清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙 “雷送余音聲裊裊，風(fēng)生細(xì)響語喁喁” 鳴沙山上的逆壓電效應(yīng),鳴沙丘,煤氣灶壓電點(diǎn)火器,另一種是利用壓電陶瓷制成的。使勁扭動(dòng)打火按鈕，“撞擊塊”敲擊多塊串聯(lián)的壓電陶瓷，就能產(chǎn)生高電壓，形成電火花而點(diǎn)燃煤氣。壓電陶瓷還可以制成電子打火機(jī)，可使用100萬次以上。,28,煤氣灶上的點(diǎn)火器有兩種。一種為有源點(diǎn)火器，要依靠干電池逆變電路產(chǎn)生高壓電火花；,壓電陶瓷變壓器,壓電陶瓷變壓器是一塊具有不同極化方向的壓電陶瓷，同時(shí)利用正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來產(chǎn)生高電壓的器件。兩次能量轉(zhuǎn)換為：中頻電能激勵(lì)機(jī)械

10、振動(dòng)能中頻高壓電能。 常用的是長條形單片Rosen型壓電陶瓷變壓器。壓電變壓器的左半部上下兩面有燒滲的銀電極，作為電壓輸入端，稱為驅(qū)動(dòng)部分;右半部分的端頭燒滲銀電極，作為輸出端，稱為發(fā)電部分。當(dāng)一個(gè)交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時(shí)，在輸入端,沿厚度方向引起陶瓷體的收縮與拉伸，這種應(yīng)變沿長度方向傳遞，使壓電變壓器沿長度方向產(chǎn)生連續(xù)的正弦波電壓（正壓電效應(yīng)），將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。由于長度是厚度的幾十倍，又由于縱駐波的加強(qiáng)效應(yīng)，輸出電壓倍增。,29,壓電陶瓷高壓變壓器電路,壓電變壓器可用于電子警棍、負(fù)離子發(fā)生器、臭氧發(fā)生器、靜電噴漆、靜電除塵、靜電復(fù)印機(jī)、掃描電子顯微鏡等高壓發(fā)生裝置。,30,二、壓

11、電材料的分類及特性,壓電傳感器中的壓電元件材料常用的有三類： 一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）； 另一類是 經(jīng)過極化處理的 壓電陶瓷；第三類是經(jīng)過極化處理的高分子壓電材料。,壓電材料的分類,.,石英晶體的特性,石英晶體在20200的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化量只有-0.0001/。還具有自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。 石英晶體的不足之處是壓電常數(shù)較?。?d=2.3110-12C/N。因此石英晶體大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高準(zhǔn)確度傳感器或使用高溫壓電傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本上采用壓電陶瓷。,2020/10/1,34,石英晶體的等效電路,

12、L1為動(dòng)態(tài)電感 ； C1為動(dòng)態(tài)電容； R1為損耗電阻； C0為晶體的靜態(tài)電容。,石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。,晶振,石英晶體還可制作晶體振蕩器（晶振）,石英晶體的切片方向與穩(wěn)定性之間的關(guān)系,必須嚴(yán)格控制晶片的切割角度。使在正常的工作溫度范圍內(nèi)，不至超過所要求的容許誤差。 晶片在切割、拋光的連續(xù)加工過程中，都會(huì)因加工的準(zhǔn)確度不同，導(dǎo)致一定的離散型，使溫度漂移變大，靈敏度不一致等。,（二）壓電陶瓷,壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷 。常用的

13、壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷 （如BaTiO3等）。,壓電陶瓷外形,壓電陶瓷的工作原理,壓電陶瓷是一種多晶壓電材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工藝條件下，經(jīng)1000以上高溫?zé)Y(jié)、機(jī)械加工，可以制成圓片或其他需要的形狀。燒結(jié)而成的壓電陶瓷由無數(shù)細(xì)微的電疇組成，這些電疇實(shí)際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域。在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng),必須在高溫下，在上下端面鍍上電極，用上千伏高電壓進(jìn)行極化處理，使電疇的方向趨向一致，冷卻后就具有壓電效應(yīng)。,壓電陶瓷的極化處理,a

14、）極化處理前電疇雜亂分布 b）在極化電壓下的電疇分布 c）冷卻、穩(wěn)定后的電疇分布 1鍍銀上電極 2壓電陶瓷 3鍍銀下電極 4電疇 5極化高壓電源 細(xì)微的電疇極化方向,壓電陶瓷極化的影響因素,極化電場和極化溫度越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越充分。常用壓電陶瓷材料的極化溫度取320420K，極化時(shí)間從幾分鐘到幾十分鐘。,常用的壓電陶瓷材料,（1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體。有較高的壓電常數(shù)d（200500）10-12C/N。在上述材料中加入微量的鑭（La）、鈮（Nb）或銻（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。 （2）非鉛系壓電陶瓷：能減少制造過程

15、中鉛對環(huán)境的污染。BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、BNT基無鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鍶鈣無鉛壓電陶瓷和鈦酸鋇鈣壓電陶瓷等，它們的多項(xiàng)性能都已超過含鉛系列壓電陶瓷，是今后壓電陶瓷的發(fā)展方向。,無鉛壓電陶瓷,鋯鈦酸鋇鈣的壓電系數(shù)達(dá)到600pC/N，壓電性能已超過了世界上已使用半個(gè)世紀(jì)、但對人體和環(huán)境有害的核心壓電材料鋯鈦酸鉛陶瓷（250pC/N）。無鉛壓電陶瓷取代鉛基壓電陶瓷已成為必然的趨勢。,壓電陶瓷與石英晶體的特性比較,.,（三）高分子壓電材料,典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔

16、軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。,（三）高分子壓電材料,高分子壓電材料是一種柔性的壓電元件。密度僅為壓電陶瓷的14，彈性柔順常數(shù)比陶瓷大30倍。 可以在幾十微米的PVDF壓電膜上，兩面蒸鍍金、銀等金屬電極，電極厚度約0.1m，再層壓在0.125mm聚酯基片上，并制作兩個(gè)壓接端子，作為信號引腳。 高分子壓電材料的應(yīng)用，從醫(yī)學(xué)上使用的精密微細(xì)敏感元件，到工業(yè)上用的各種傳感器；從軍事上應(yīng)用的聲納，到民用的防盜報(bào)警系統(tǒng)等。可以用于制作超聲診斷儀、血壓計(jì)、指脈膊計(jì)、

17、心率計(jì)、機(jī)器人的觸覺傳感器、加速度傳感器、水聲探測器、聲納器件、揚(yáng)聲器等。,高分子壓電材料的種類、加工,典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）、聚甲基L谷氨酸酯(PMLG)、聚碳酸酯(Pc)和尼龍11等，靈敏度比壓電陶瓷高十幾倍，輸出脈沖電壓可以直接驅(qū)動(dòng)CMOS集成門電路。 將PVDF樹脂加熱，用輥壓機(jī)壓制成膜或電纜套管。定向拉伸的溫度約為120，在拉伸薄膜的兩面蒸鍍金、銀等金屬電極，電極厚度為0.1m。 與壓電陶瓷類似，必須用高電壓進(jìn)行極化處理。薄膜經(jīng)極化處理后，分子偶極子就趨向一致的方向，顯現(xiàn)出電壓特性。極化場強(qiáng)約5kV/mm，

18、極化溫度為80100，極化時(shí)間為3060min。,高分子壓電薄膜及拉制 、切片,高分子壓電材料的特性,不易破碎，具有防水性，可以制成較大面積或較長的成品，因此價(jià)格便宜。其測量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB，頻率響應(yīng)范圍可從0.1Hz直至109Hz。 工作溫度一般低于100。溫度升高時(shí)，靈敏度將降低。它的機(jī)械強(qiáng)度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。,高分子壓電材料制作的壓電墊和壓電電纜,可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板,壓電式腳踏報(bào)警器,高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）,第二節(jié) 壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路,壓電傳感器的輸出阻抗較大，要求電壓放大器具有較大的輸入阻抗。又由于壓電傳感器

19、的輸出電壓與壓電片的極間電容Ca以及傳輸線的對地分布電容Cc有關(guān)，如果接入普通的電壓放大電路，將受到很多外界因素的影響。 現(xiàn)在多采用“電荷放大器”來將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，屬于Q/U轉(zhuǎn)換器，但并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。,壓電元件的極間電容,壓電元件在承受沿敏感軸方向的外力作用時(shí)，將產(chǎn)生電荷，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。當(dāng)壓電元件表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，兩電極板間的電容Ca為,式中 A壓電元件電極面積； 壓電元件厚度； r壓電材料的相對介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)。,壓電元件的圖形符號及等效電路,a）結(jié)構(gòu)示意圖 b）壓電元件的符號 c）壓電元件的等

20、效電路 1鍍銀上電極 2壓電晶體 3鍍銀下電極,壓電傳感器的輸出電壓與等效電容的關(guān)系,如果壓電元件直接與放大器配套使用，除了極間電容，還應(yīng)考慮到傳輸屏蔽電纜芯線對接地屏蔽層的分布電容Cc的影響。如果忽略Ra和放大器的輸入電阻Ri的影響，則有 式中 Ci電壓放大器的輸入電容； Q壓電元件輸出的電荷量。 屏蔽電纜的對地分布電容大約為100pF/m。當(dāng)屏蔽電纜較長時(shí)，Cc顯著增大，放大器的輸入電壓U i 將比壓電傳感器空載時(shí)的輸出U o小很多，且不穩(wěn)定。,壓電傳感器與二次儀表連接的等效電路,Ci 、 Ri為放大器的輸入電容和輸入電阻,電荷放大器原理,電荷放大器是一個(gè)具有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器

21、電路。當(dāng)放大器開環(huán)增益A和輸入電阻R i、反饋電阻Rf（用于防止放大器的直流飽和）相當(dāng)大時(shí)，放大器的輸出電壓Uo正比于輸入電荷Q，反比于反饋電容Cf，而基本上與Cc 、 Ca 、 Ci無關(guān)：,電荷放大器,1壓電傳感器 2屏蔽電纜線 3傳輸線分布電容 4電荷放大器 SC靈敏度選擇開關(guān) SR帶寬選擇開關(guān) CfCf 在放大器輸入端的密勒等效電容 CfCf在放大器輸出端的密勒等效電容,電荷放大器基本電路,電荷放大器原理分析,反饋電容Cf 跨接在放大器的反相輸入端和輸出端之間。根據(jù)密勒等效定理，相當(dāng)于在輸入端并聯(lián)了一個(gè)容量很大的等效電容Cf。設(shè)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益數(shù)為Au，通常約為120dB，相當(dāng)于10

22、6。Cf=(1+Au)Cf ，Cf的取值范圍多為100pF 0.1F。若Cf取最小值100pF，則等效電容Cf約為100F。輸入回路的總電容基本上由C f決定 C總=Ca +Cc +C i+(1+Au)C f,電荷放大器的輸出電壓,式中 Q：壓電元件受動(dòng)態(tài)力作用所產(chǎn)生的電荷有效值； Cf ：并聯(lián)在放大器輸入端和輸出端之間的反饋電容 當(dāng)A足夠大時(shí)，則(1+A)C f(Ca+Cc+Ci)，上式可化簡為 由此可知,電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān),電纜引線電容等因素的影響可忽略不計(jì)。,電荷放大器的實(shí)際電路框圖,壓電傳感器與電荷放大器及后續(xù)儀表的連接,.,反饋電容的選取,當(dāng)被測振動(dòng)較小時(shí)

23、，電荷放大器的反饋電容應(yīng)取得小一些，可以取得較大的輸出電壓； 為了進(jìn)一步減少傳感器輸出電纜的分布電容對放大電路的影響，常將電荷放大器裝在傳感器內(nèi)，或緊靠在傳感器附近； 為了防止因Cf長時(shí)間充電導(dǎo)致集成運(yùn)放飽和，在Cf上并聯(lián)直流負(fù)反饋電阻Rf。 改變反饋電容Cf的大小，可以粗調(diào)靈敏度。 Cf的調(diào)節(jié)范圍可以從100pF100nF。1nF=1000pF 廣義的機(jī)械靈敏度的分母用unit表示,取決于所用傳感器的機(jī)械單位。例如：加速度為g(或m/S2), 壓力為kPa，動(dòng)態(tài)力為N （牛）等。,電荷放大器的高頻截止頻率,電荷放大器的上限頻率由運(yùn)放的頻率響應(yīng)、電壓上升率、噪聲系數(shù)、線路的分布電容等決定。如果

24、電纜線太長，電纜電容和雜散電容增加，都會(huì)導(dǎo)致放大器的高頻特性變差。若忽略運(yùn)放的輸入電容和輸入電阻，則上限頻率為,式中Rk和Ck為電纜的等效電阻和等效電容，Cq為傳感器的等效電容。為提高信噪比，應(yīng)選擇上限頻率為被測信號中最高頻率三倍以上的電荷放大器。,反饋電阻的選取及低頻截止頻率,Rf與Cf的乘積決定電荷放大器的下限頻率fL。當(dāng)Cf 由靈敏度的要求確定后， Rf越大，電荷放大器的的低頻特性就越差。當(dāng)被測電荷信號的頻率下降到fL時(shí)，電荷放大器的輸出電壓降低到中頻的 時(shí) 此時(shí)的低頻截止頻率fL=1/2C f R f。 可以在面板上選擇Rf ，M檔反饋電阻為1011，L檔反饋電阻為1013。,最大輸入

25、電荷量可達(dá)10 6pC。當(dāng)振動(dòng)信號幅度大于10Vp時(shí),過載指示器的發(fā)光二極管亮,并觸發(fā)復(fù)位開關(guān)。,電荷放大器的頻率特性,.,| 1/Cf |,電荷放大器的頻率特性,.,1）壓電元件的輸出電荷量Q的有效值為多少庫倫？ 2）被測振動(dòng)力F 的有效值為多少？ 3）電荷放大器的靈敏度KQ為多少mV/pC？ 4）該電荷放大器的下限截止頻率為多少赫？,例 某壓電元件用于測量振動(dòng)，靈敏度d11=10010-12C/N，電荷放大器的反饋電容Cf=1000pF，Rf=10M，測得A1的輸出電壓Uo=0.2V，求:,4）下限頻率：,解 1）壓電元件的輸出電荷量Q的有效值 Q=CfUo=(100010-12F0.2V

26、)=200pC,2）被測振動(dòng)力,3）靈敏度,四通道電荷放大器外形,.,某電荷放大器的前后面板,某電荷放大器指標(biāo),靈 敏 度：0.11000mV/pC可調(diào)； 頻率范圍：0.3100kHz； 噪聲(最大增益時(shí))：折合至輸入端 小于5V； 準(zhǔn) 確 度：1%； 最大輸出：10V或10mA；電源：220V/50Hz； 控制方式：計(jì)算機(jī)、遙控或手動(dòng)。,超小型電荷放大器模塊,靈 敏 度：1、10、100mV/pC（任選一檔） 頻率范圍：0.3100KHz（上、下限可選） 噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV 歸 一 化：電容調(diào)整 線性誤差：1% 最大輸出：5V或10V 電源：15V 特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測

27、試系統(tǒng)。,主要性能指標(biāo):,焊接式 電荷放大器,其他電荷放大器外形,面板式電荷放大器,多通道電荷放大器外形,壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測量,由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測量（一般必須高于3Hz，但在30kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。,第三節(jié) 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用,一、高分子壓電材料的應(yīng)用,1. 玻璃打碎報(bào)警裝置 將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓

28、信號傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。,粘貼位置,高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器,質(zhì)量塊,將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。 使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q ，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號。,2壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等）,將壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行, 對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。 多通道測量系統(tǒng)

29、的輸出波形,1銅芯線（分布電容內(nèi)電極） 2管狀高分子壓電塑料絕緣層 3銅網(wǎng)屏蔽層（分布電容外電極 ） 4橡膠保護(hù)層（承壓彈性元件）,高分子壓電電纜周界報(bào)警系統(tǒng),交通監(jiān)測,（包括軸數(shù)、軸距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。,將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息：,高分子壓電電纜的應(yīng)用演示,集成脈搏傳感器,采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號通過壓電薄膜轉(zhuǎn)換成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部的電荷放大電路轉(zhuǎn)換成輸出電壓。,其他應(yīng)用： 脈搏計(jì)數(shù)探測 振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警 振動(dòng)加速度測量 管道壓力波動(dòng) 其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)力檢測

30、等,二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用,壓電片的并聯(lián)接法,壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常是兩片（或兩片以上）粘結(jié)在一起，一般常用的是并聯(lián)接法。其總面積是單片的兩倍，極板上的總電荷Q并為單片電荷Q的兩倍。 C并=2C， U并=U， Q并=2Q,利用壓電傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈,傳感器安裝位置,1剛性傳力上蓋 2壓電片 3電極 4電極引出插頭 5絕緣材料 6底座 電荷Q的幅值與所受的動(dòng)態(tài)力成正比，頻率與振動(dòng)的頻率相同。依據(jù)電荷放大器的輸出uo的幅值和頻率，就可以測知?jiǎng)討B(tài)力F：,壓電式單向動(dòng)態(tài)力傳感器,壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在 車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測量,一體化車刀動(dòng)態(tài)力測量,YDS-III7

31、9K型壓電石英三維力傳感器特性指標(biāo),工程中， 1kgf 10.2N,壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測量中的應(yīng)用,壓電式步態(tài)分析跑臺,壓電式縱跳 訓(xùn)練分析裝置,壓電傳感器測量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力,第四節(jié) 振動(dòng)測量及頻譜分析,一、振動(dòng)的基本概念,物體在某一平衡位置附近所做的 往復(fù)運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)械振動(dòng)，簡稱為振動(dòng)。,洗衣機(jī),機(jī)床,風(fēng)機(jī),夯實(shí)機(jī),地震的巨大威力,地震波形,物體圍繞平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。從振動(dòng)對象來分：有機(jī)械振動(dòng)（例如機(jī)床、電機(jī)、泵風(fēng)機(jī)等運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)）；土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)（房屋、橋梁等的振動(dòng)）；運(yùn)輸工具振動(dòng)（汽車、飛機(jī)等的振動(dòng)）以及地震、武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。 從振動(dòng)的頻率范圍來分，有高頻振

32、動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等。從振動(dòng)信號的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等 物體振動(dòng)一次所需的時(shí)間稱為周期,用T表示,單位是s。每秒振動(dòng)的次數(shù)稱頻率，用f表示,單位為Hz。 振動(dòng)物體的位移用x表示，偏離平衡位置的最大距離稱為振幅，用Am表示，單位為mm；振動(dòng)的速度用v表示，單位為m/s；加速度用a表示，單位為m/s2。振動(dòng)幅值隨時(shí)間的變化得到的曲線，叫振動(dòng)波形。,振動(dòng)的基本概念,振幅,測振系統(tǒng)力學(xué)模型,彈簧振子的簡諧振動(dòng),f,f,f,f,簡諧振動(dòng)最基本的、最簡單的周期振動(dòng)。 位移： x=Asin(t+) 速度： v=Asin(t+/2) 加速度： a= A2 sin(

33、t+) 位移、速度和加速度的關(guān)系： （1）都是同頻率的簡諧波； （2）三者的幅值依次為A、A、 A2 。 （3）相位關(guān)系，加速度超前于速度90，速度超前于位移90。,簡諧振動(dòng)的三個(gè)基本參數(shù),峰值 = A ； 峰峰值 = 2 A ； 有效值= 0.707 A （峰值 = 1.414 有效值）。 平均值=0.636 A 。,簡諧振動(dòng)的三個(gè)基本參數(shù),二、測振傳感器分類,測振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。介紹壓電式測振傳感器及其應(yīng)用。,a）原理圖 b）中心壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu) c）環(huán)形剪切式壓

34、電加速度傳感器結(jié)構(gòu) d）外形 1基座 2引出電極 3壓電晶片 4質(zhì)量塊 5彈簧 6殼體 7固定螺孔,常用的壓電式振動(dòng)加速度傳感器,（1）靈敏度K 壓電式加速度傳感器的輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）。而輸入量為加速度，單位為m/s2,所以靈敏度以pC/ms-2為單位,或用重力加速度pC/g。靈敏度的范圍約為10100pC/g。 目前許多壓電加速度傳感器的輸出是電壓，所以靈敏度單位也可以為mV/g，通常為101000mV/g。 （2）頻率范圍 常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz20kHz。 （3）動(dòng)態(tài)范圍 常用的測量范圍為0.1100g，或1000m/s2。測量沖擊

35、振動(dòng)時(shí)應(yīng)選用10010000g的高頻加速度傳感器；而測量橋梁、地基等微弱振動(dòng)往往要選擇0.00110g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。,壓電振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo),a）雙頭螺釘固定法 b）磁鐵吸附法 c）膠水粘結(jié)法 d）手持探針式法 1壓電式加速度傳感器 2雙頭螺釘 3磁鋼 4粘結(jié)劑 5頂針,壓電振動(dòng)加速度傳感器的安裝及使用,d）,壓電式振動(dòng)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及外形,橫向振動(dòng)測振器,縱向振動(dòng)測振器,1,典型壓電式振動(dòng)加速度傳感器的特性參數(shù),某小型“內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器”性能指標(biāo),靈敏度：500mV/g 量程：10g 頻率范圍：4-4000Hz安裝諧振點(diǎn):15kHz 分辨力：0.0000

36、g 重量：40g 安裝螺紋：M5 mm 線性：1%,壓電加速度傳感器的使用,手持式測振儀,手持式壓電加速度傳感器聽診器,1量程選擇開關(guān) 2壓電傳感器輸入信號插座 3多路選擇開關(guān) 4帶寬選擇開關(guān) 5帶背光的點(diǎn)陣液晶頻譜顯示器 6電池盒 7可變角度支架,便攜式測振儀外形及頻譜圖,壓電振動(dòng)加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用,加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩。,爆震波形,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻必須十分精確。如果恰當(dāng)?shù)貙Ⅻc(diǎn)火時(shí)間提前一些，即有一個(gè)提前角（例如10度以內(nèi)），就可使汽缸中汽油與空氣的